(通过审核)机械设计制造及其自动化专业学位毕业论文毕业设计食品加工工业搅拌设备的设计正文
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沈阳航空工业学院学士学位论文 1绪论 1.1搅拌的目的和功用 1.1.1搅拌的作用 搅拌操作是通过搅拌器的作用，使流体物料在搅拌槽内按一定的流型流动，从而达到使物料混合或分散均匀的目的。 在食品、纤维、造纸、石油、水处理等工业生产中，搅拌作为工艺流程的一部分独立存在。搅拌操作可以使两种或者多种不同的物质在彼此之中相互分散，从而达到均匀混合，同时加速传热和传质的过程。在工业生产尤其是化学工业生产中，无论是加热、冷却、液体萃取、气体吸收等物理变化，还是化学工艺中的种种化学变化，都是以物质的充分混合为前提，往往需要采用搅拌操作才能得到很好的效果。 搅拌设备 是工业中专门用于实施搅拌行为的设备，应用相当广泛。搅拌设备主要由搅拌装置、轴封和搅拌罐三大部分组成。 搅拌设备的主要作用是达到使物料均匀混合、强化传热的效果，对于具体的搅拌过程还可以使气体在液相中很好地分散、固体粒子在液相中均匀悬浮、不相溶的某一液相均匀悬浮或者充分乳化、以及强化相间的传质。 1.1.2搅拌的功用 在工业生产中，搅拌操作一般具有下列功用: 1、使互溶物料均匀混合。 2、使不互溶物料很好地分散或悬浮，包括气相在液相中的均匀·1· 沈阳航空工业学院学士学位论文 分散、固相颗粒在液相中的均匀悬浮、一种液相在另一种液相中的均匀悬浮或充分乳化。 3、强化传热或传质过程。正因为搅拌操作具有上述功用，其在工业生产特别是在化工生产中的应用非常广泛，是常见的单元操作之一。 由于本课题所涉及的生化反应中需要菌体、酶和废水充分混合，而且在有氧生化反应中有热量放出。而搅拌可以使物料均匀混合和增大传热系数，从而可以促进反应热快速地传出，防止物料的局部过热，保证细菌的活力。 （图1.1）搅拌设备示意图 1.2搅拌设备和工艺的发展 ·2· 沈阳航空工业学院学士学位论文 虽然搅拌设备的使用历史悠久，应用范围较广泛，但对搅拌以及搅拌设备的相关研究还不是十分深入。结构设计工艺性随客观条件的不同及科学技术的发展而变化。影响结构设计工艺性的因素大致有生产类型，制造条件，工艺技术的发展三个方面。 1、生产类型 生产类型是影响结构设计工艺性的首要因素。当单件、小批生产零件时，大都采用生产效率较低、通用性较强的设备和工艺装备，采用普通的制造方法，因此，机器和零部件的结构应与这类工艺装备和工艺方法相适应。在大批大量生产时产品结构必须与采用高生产率的工艺装备和工艺方法相适应。所以，在单件小批生产中具有良好工艺性的结构，往往在大批量生产中，其工艺性并不一定好，反之亦如此。因此当产品由单件小批量生产扩大到大批量生产时，必须对其结构工艺性进行审查和修改，以适应新的生产类型的需要。 2、制造条件 机械零部件的结构必须与制造厂的生产条件相适应。具体生产条件应包括：毛坯的生产能力及技术水平；机械加工设备和工艺装备的规格及性能；热处理的设备及能力；技术人员和工人的技术水平；辅助部门的制造能力和技术力量等。 3、工艺技术的发展 随着生产不断发展，新的加工设备和工艺方法不断出现。精密铸造、精密锻造、精密冲压、挤压、镦锻、轧制成形、粉末冶金等先进工艺，使毛坯制造精度大大提高；真空技术、离子氮化、镀渗技术使零件表面质量有了很大的提高；电火花、电解、激光、电子束、超声波加工技术使难加工材料、复杂形面、精密微孔等加工较·3· 沈阳航空工业学院学士学位论文 为方便。 1.3搅拌装置的组成 搅拌装置是搅拌设备的主体部分，其中包括传动装置，搅拌轴，搅拌器。搅拌设备中具有独立的传动机构，一般有电动机，减速装置，联轴器以及搅拌轴统一组成。 搅拌设备选用电动机一般根据搅拌需要确定系列，功率，转速以及安装形式，防爆要求等几项内容。电动机有D2，T2，D2/T2，L3，D2/L3等几种不同的安装形式，常用的电动机有一般异步电动机，变速异步电动机，防爆异步电动机。 由于搅拌器的转速比电动机的速度要低的多，所以传动机构中必须要有一定的减速装置。不同的减速装置也决定了搅拌器传动方式的不同。常用的减速装置有齿轮减速机，涡轮减速机，三角皮带以及摆线针齿行星减速机等。设计人员在减速机的具体选型过程中主要应参考以下几个方面的因素： 1、 出轴旋转方向单向或双向 2 、搅拌轴轴向力方向以及减速机是否承受轴向力 3 、传动比，功率，进出轴的转速。两轴的相对位置 4、 防爆或非防爆 5、 外型尺寸需要满足安装与检修的要求 6 、工作平稳性，如震动和载荷变化情况 连轴器与搅拌轴的设计，是搅拌设计的重点。设计过程中先后需要经理选型，功率计算，强度计算轴径计算等环节。 ·4· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图1.2）搅拌设备装置示意图 ·5· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图1.3）常规搅拌设备内部 （图1.4）一般搅拌设备总体安装外部 ·6· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图1.5）组合式搅拌设备 ·7· 沈阳航空工业学院学士学位论文 2搅拌器总体设计 2.1设计计划 2.1.1设计要求 搅拌操作是应用最广泛的化工单元操作之一。例如在食品、染料、制药、油漆等生产中，几乎所有的反应装置都装有不同类型的搅拌装置。 搅拌能使物料产生流动，分散，细微化，从而可以增加接触面积，降低界面阻力，以促进传质过程的进行。搅拌能增加传热速率，提高传热系数，促进传热过程。在激烈的温度变化和浓度变化的场合，通过搅拌充分混合，可以消除局部过热和局部反应，防止较多副产物的生成。在固一液系统中搅拌可防止颗粒沉降，促进固体颗粒的溶解。在吸附和结晶过程中，搅拌能增加表面吸附作用，以及析出均匀的结晶等。总之搅拌操作与反应、传热、吸附、溶解、结晶等单元操作均有密切的关系。 本次设计的搅拌器主要是特定针对液体---液体和液体---溶解固体混合搅拌，假设在一个食品加工厂需要安装在一个特定搅拌容器里不间断搅拌能够互溶液体原料（主要是水密度液体）。使原料水、液体原料和少量的完全溶解固体原料成分充分均匀的拌和。搅拌容器内壁光滑，没有加热棒和导流设备，D=3m，H=3m,液面高不高于2.6m不低于2m容器内无挡板和倒流槽。 液体原料由容器上部装入下部排出，少量固体原料在搅拌过程中由容器上部装料口装入，需要注意的是在搅拌过程中不能使液体流量过快以避免液体由于过于剧烈流动而使液体中混入大量空气和·8· 沈阳航空工业学院学士学位论文 使原料局部温度升高导致整体温度不平衡。 在食品加工工业中有很多需要搅拌设备的工序，最普遍的例如饮料、饮品的加工制作，食品提纯、稀释等。 在本次设计中我们还针对特定的场合在完成设计标准的同时对搅拌器的设计提出了下列要求： 1、 为了经济性能优越，出于节省能源的目的，所设计的搅拌器的搅拌功率尽可能小。 2、 搅拌效果也就是排液量尽可能大，这样可以使整个容器中的液体充分的搅拌均匀，最好效果的完成搅拌。 为了尽可能的设计出符合本次设计要求的设备，我们首先要根据本次要求进行完整的初步设计，然后在经过不断的设计优化。 2.1.2设计步骤及程序制定 搅拌设备的设计过程没有标准的严格的设计步骤。其原因主要有两点： 1．工业中应用体系的混合目的、物料性质和搅拌设备形式的多样性，以及物料在搅拌设备中流动的复杂性。 2． 缺乏公认的搅拌效果评价标准，使搅拌设备设计难以在一个严密的理论指导下完成，在很大程度上仍依赖于经验。 搅拌设备的设计首先要考察过程目标，对过程的体系、性质、要求的目标进行了解。然后从搅拌器 设计角度分析搅拌任务的尺度和难度。所谓尺度是指搅拌体系中物料的量。所谓难度是指达到搅拌效果所需要克服的阻力。在此基础上可选定搅拌器的型式， 叶轮尺寸，转速及所需功率。然后确定搅拌器的安装尺寸及附件等。搅·9· 沈阳航空工业学院学士学位论文 拌器设计好之后还要在满足工艺条件的要求下从经济角度进行优化。搅拌器的设计基本程序一般为：搅拌条件的设定和确认搅拌叶轮型式及附件的选定。确定叶轮尺寸及转速，计算搅拌功率。 物料性质从有关图表资料中查出该物料系统的相关物理、化学性质。如粘度、密度 等。任务搅拌任务的基本内容包括：明确被搅拌的物料系统；搅拌操作所要达到的目的；搅拌物料的处理量(间歇操作按一个周期的批量、连续操作按时班或年处理量)；明确有无化学反应、有无热量传递等。 搅拌器选型目前尚无完善的客观尺度，往往在同一搅拌目的下，几种搅拌器均可适用。实际选用时，首先应考虑在达到搅拌目的的同时，力求消耗较小的功率。根据搅拌叶轮的一般选择原则，在叶轮选定之后，还应考虑叶轮直径的大小与转速的高低。搅拌器的选型不能满足于从同类工艺中借鉴，还应根据任务要求具体分析。搅拌装置机械设计中各项程序简要说明如下： 1 确定操作参数：搅拌器操作的压力和温度、搅拌的容积和时间、连续或间歇操作、叶轮的直径和转速、物料的有关性质和物料系统的运动状态等，都属于操作参数，而最基本的目的则是要通过有关参数，计算搅拌的雷诺数，确定流动类型，进而计算功率消耗。 2 结构设计：在确定搅拌器类型和操作参数的基础上进行结构设计，其主要内容是确定叶轮构型的几何尺寸、搅拌槽的几何形状和尺寸。 3 功率计算： 搅拌槽的功率计算包括两个步骤： 第一步 确定搅拌的净功率消耗； ·10· 沈阳航空工业学院学士学位论文 第二步 确定适当的电动机额定功率，进而选用适当的电动机。 4 传热计算：搅拌操作过程中存在热量传递时，应进行传热计算，其主要目的是核算搅拌装置提供的传热面积是否满足传热的要求。 5 机械设计：在完成上述各项设计程序的基础上，通过机械设计，确定传动机构，进行必要的强度计算，并提供搅拌器的全部加工尺寸，最后应绘制零部件加工图和总体配装图，以便组织加工与安装。 实际的搅拌设备设计放大过程还需要进行多次的反复计算才能设计出符合各种标准的实用的最优设备。 2.2搅拌器的设计 2.2.1确定搅拌的种类和形状 2.2.1.1确定搅拌器的种类 搅拌作为一种单元操作，涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多领域知识，是一个相当复杂的操作过程。搅拌以使搅拌介质的各部分接近均质为目的，操作过程中会受到许多因素的影响。但无论搅拌过程如何复杂多变，无一不是通过搅拌器或者其他手段，使搅拌设备内的流体产生适当的流动状态，并在特定的流动状态中达到各种所需的搅拌目的。流动场问题和搅拌能量问题一直是搅拌过程所研究的主要课题。不同操作目的的搅拌过程需要不同的流动场、需要供给能量的多少也不同。按照搅拌介质的相态，搅拌过程可以分为均相系和非均相系两大类。前者为互溶液体的搅拌，后者·11· 沈阳航空工业学院学士学位论文 包括不互溶液体的搅拌、气一液相的搅拌和固一液相的搅拌.当搅拌介质粘度特别高的时候，其流动状态具有相当的特殊性，所以一般又单独分类为高粘度液的搅拌。总之，不同的搅拌过程对搅拌的要求有着明显的不同。 互溶液体的搅拌旨在使两种或数种液体相互之间达到浓度、密度、温度以及其他物性的均匀状态。 21dj313Ddj21dj kNQd0.211e 式（2.1）tmgnDD21dj3133000dj21dj60.13.64100.211e 2400n30003000式（2.2） tm-------混合时间（s） n------搅拌浆转速（rpm） k------比例系数，决定于示踪物的判定方式和混合终了的判定条件，一般情况取0.1 dj------搅拌器直径（mm） D------搅拌槽直径（mm） NQd------排出流量数（m3/s） 由上式判断当搅拌速度为1——1000时搅拌器直径约为400mm——1000mm之间，所以初设定搅拌器的直径在300——1000之间 搅拌罐内液体的循环速度取决于循环流动液体的体积流量。从叶轮直接排出的液体体积流量，称为叶轮的“排液量”。参与循环流·12· 沈阳航空工业学院学士学位论文 动的所有液体的体积流量，称为“循环流”。由于叶轮排出流产生的夹带作用，循环流可远远大于排液量，二者差别的大小取决于排出流的夹带能力。 对于几何相似的叶轮，其排液量Q,、叶轮直径d和转速。之间存在如下的关系： Q1nd3 式（2.3） 式中Q1一叶轮的排液量，m3/s n 一叶轮的转速，r/s d 一叶轮的直径，m 在离心泵中，压头(扬程)就是离心泵对单位重量(1N)液体所提供的有效能量，单位为J/N或m。与离心泵叶轮的作用相似，搅拌器的叶轮在旋转时既能使液体产生流动又能产生用来克服摩擦阻力的压头。一般用速度头的倍数来表示压头。液体离开叶轮的速度Und，于是压头可表示为： u2Hn2d2 式（2.4） 2g式中 H一 压头，m； u 一 液体离开叶轮的速度，m/s 由于搅拌器叶轮的排液量和压头均与离心泵的流量和压头存在相似的关系，所以搅拌器叶轮所消耗的功率N和离心泵的功率计算式相类似： NHQ 式（2.5） 把上三式综合可得： Nn3d5 式（2.6） ·13· 沈阳航空工业学院学士学位论文 由上式可知，搅拌功率消耗于液体在罐内的循环流动和剪切流动两个方面。不同工艺过程中液体流动方式各异，两种流动所消耗的功率之比也各异，常常近似地用Q/H表示两种方式所消耗功率之比。该比值对搅拌效果具有重要意义。 Qd（2.7） 式Hn当功率一定时，n3d5也为定值，由此可得： nd5335 dn 将上两式分别代入 8Qd3 H8Qn5 H从上两式可看出叶轮操作的基本原则，即:在消耗相同功率的条件下，如采用低转速、大直径的叶轮，可用增大液体循环量和循环速度，同时减少液体受到的剪切作用，有利于宏观混合。反之，如采用高转速、小直径的叶轮，结果与此相反。 所以初设定搅拌器的直径dj =800mm。 由于存在两相问题，固一液相搅拌问题要比均相液体的搅拌复杂得多。这种搅拌过程对流动状态的要求是使固体颗粒在液相中悬浮起来不沉降，这就是要求搅拌液流的上升速度大于固体颗粒的沉·14· 沈阳航空工业学院学士学位论文 降速度。固体沉降速度的影响因素除了与固一液重度差、固体颗粒几何形状、固相在液相中的浓度等有关，还与搅拌时流体产生的湍流状态有关。实验证明，固一液相搅拌过程中存在一个使固相悬浮的最低搅拌转速，其计算公式如下。这个临界速度与固液密度差、固液相密度、液相粘度、粒径等物性条件有关。 VPncKDdVP231632313p23190.7 式（2.8） 23190.765.45820.09983.510nc2003(3.510)60.9980.9983.510 =0.086541 式（2.9） 式中：K-----系数，与搅拌槽形状、搅拌器形式与尺寸有关，约为200—250； D-----搅拌槽的内径（m）； dp------固体颗粒直径（m）； ------固体颗粒与液体密度差（g/cm3）； -------液体密度（g/cm3）； -------液体粘度（cp）； VP-------固体颗粒的真实体积（m3）； VP。-------固体颗粒视体积（m3）； 由于使固体充分混合在液体中所需要的流动速度和实际需要速度差距很大，所以可以不考虑。 当气体从搅拌器下部通入搅拌槽内，会形成逐渐增大的气泡从·15· 沈阳航空工业学院学士学位论文 槽底上升。当进行搅拌并将转速提高到一定的程度时，在桨叶附近由于剪力和动压变动的力使气体分散为更小的气泡，并随着液体的循环流动而散布到槽的全部容积内。气泡的大小和数量决定了气一液的接触面积。液体单位体积中气泡的表面积大小以及达到这一指标所需的搅拌操作时间，可以作为气一液搅拌的评价指标。对于一定的搅拌槽和给定的气体空槽速度，搅拌器有一个最低的使用转速。同样，在一定的搅拌转速下气体流速也有一个最适宜的范围，在此范围气一液的分散效果较为理想。 粘度反映了流体运动时剪切应力和剪切速度梯度的比值关系。搅拌器搅拌低粘度液时，在槽内造成湍流状态并不困难，但是当粘度上升到一定数值，由于粘滞力的影响液体只能出现层流状态，而且层流也只能出现在桨叶的附近，离桨叶远些的高粘度液体仍然是静止的。高粘度液体搅拌的首要问题就是要解决液体流动和循环的问题[5]。此时不能依靠增大搅拌转速来提高搅拌器的循环流量，如果转速过高还会在高粘度液体中形成沟流，周围液体仍然为死区。若要使桨叶能够推动更大范围的液体，在设计搅拌设备的过程中需要注意相应增大搅拌器直径与槽径之比与桨叶宽度与槽径之比，有时还需要增加搅拌器的层数，以增大搅拌的范围。 以上各类搅拌过程存在一定的共性和各自的特点，搅拌槽内对流循环的流动状态也有一定的差异，这些是由搅拌过程的目的及物料性质所决定的. 2.2.1.2搅拌器的形状 ·16· 沈阳航空工业学院学士学位论文 不同型式的搅拌器能够提供不同的流动场、供给相应的能量，进而达到一定的搅拌目的。搅拌器的搅拌作用是通过桨叶不停歇的旋转运动所产生的，桨叶的形状、尺寸、数量以及转速都会不同程度地影响着搅拌器的功能。搅拌介质的物性差异、搅拌器在搅拌槽内的安装位置以及搅拌器的工作环境，都会在一定程度上对搅拌器的功能产生影响。其中搅拌器的工作环境，包括搅拌槽的形状尺寸、挡板的设置情况、物料的进出方式等方面。搅拌介质物性方面的因素已在上文加以了一定的阐述，本节将主要讨论工作环境对搅拌器功能的影响。 设计人员在设计搅拌器的过程中，务必考虑搅拌介质的流动状态、搅拌器与搅拌槽径的几何关系，以及搅拌器排出性能、剪切性能与混合性能等多方面的因素。 典型的机械搅拌器型式有桨式、涡轮式、推进式、锚式、框式、螺带式、螺杆式等。搅拌器按桨叶形状可分为三类，即平直叶、折叶和螺旋面叶。桨式、涡轮式、锚式和框式等搅拌器的桨叶为平直叶或折叶，而推进式、螺带式和螺杆式搅拌器的桨叶则为螺旋面叶。 根据搅拌操作时桨叶主要排液的流向(又称流型)，又可将搅拌器分为径流型叶轮和轴流型叶轮两类。平直叶的桨式、涡轮式是径流型，螺旋面叶的推进式、螺杆式是轴流型，折叶桨面则居于两者之间，一般认为它更接近于轴流型。 ·17· 沈阳航空工业学院学士学位论文 平直叶单桨式 折叶桨式 圆盘涡轮式 推进式 特殊框式式 （图2.1）几种典型的搅拌叶桨形式 平叶的桨面与运动方向垂直，即运动方向与桨面的法线方向一致。折叶的桨面与运动方向成一个倾斜角度。，一般0为45“或600 ,螺旋面叶是连续的螺旋面或者是其中的一部分，桨叶曲面与运动方向的角度逐渐变化。 对于平直叶型搅拌器，由于桨叶的运动方向与桨面垂直，所以当桨叶低速运转时，流体的主体流动为水平环向流动。当桨叶转速增大时，流体的径向流动将逐渐增大，桨叶转速越高，由平直叶排出的径向流则越强，而此时桨叶本身所造成的轴向流仍是很弱的。对折叶搅拌器，由于桨面与运动方向成一定倾斜角B,所以在桨叶运动时，除有水平环向流外，还产生轴向分流。在桨叶转速增大时，·18· 沈阳航空工业学院学士学位论文 还有渐渐增大的径向流。螺旋面可看成许多折叶的组合，这些折叶的角度逐渐变化，所以螺旋面所造成的流向也有水平环向流、径向流和轴向流，其中轴向流最大 。 在选择搅拌器时，应考虑的因素很多，最基本的因素是介质的粘度、搅拌过程的目的和搅拌器能造成的流动状态。由于流体的粘度对搅拌状态有很大的影响，所以根据搅拌介质粘度的大小来选型是一种基本的方法。一般随着粘度的提高，各种搅拌器的使用顺序为推进式、涡轮式、桨式、锚式、螺带式和螺杆式等。根据搅拌过程的目的来选择搅拌器是另一种基本的方法。低粘度均相流体混合消耗功率小、循环容易，是难度最小的一种搅拌过程，只有当搅拌槽的容积很大并且要求混合时间很短时才比较困难。由于推进式搅拌器的循环能力强并且消耗功率小，所以最为适用。而涡轮式搅拌器因其功率消耗大，其虽有高的剪切能力，但对于这种混合过程并无太大的必要，所以若用在大容量槽体的混合就不太合理。桨式搅拌器因其结构简单，在小容量流体混合中仍广泛采用，但在大容量槽体混合时，其循环能力就有点不足了。 由于桨式搅拌器的设计和结构都比较简单，制造简便并易于表明其尺寸，故广泛应用于化学工业中，并且由上表可知桨式搅拌器能够满足生化反应中的对流循环混合和强化传热的要求，所以选择桨式搅拌器。根据具体条件对比选择大体形状为如图的形式搅拌器。 ·19· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图2.2）双平直桨结构示意图 此类型为最基本的一种桨型，低速时为水平环流型，层流区操作：高速时为径流型。上下循环流，湍流强，适用于低粘度液的混合、分散、固体悬浮、传热、液相反应等过程。μ＜2000cp，n=1－100rpm，V＝1－50m/s。 2.3搅拌器的具体参数确定 2.3.1功率的计算 任何一种型式的搅拌器在具有一定物性的介质中以一定的运转参数进行运转，必须依靠一定的动力才能获得理想的流动状态并完成操作达到预期的搅拌目的。搅拌过程中所需 要的的动力就是搅拌器的功率。通常情况视达到搅拌目的所消耗的轴功率为搅拌过程从搅拌器得到的功率，而不讨论这种能量供给的是否过多或过少，是否为系统的最佳状态。 ·20· 沈阳航空工业学院学士学位论文 搅拌器功率实际上包括着两个不同而又有一定内在联系的概念，即搅拌器功率和搅拌作业功率。 以一定转速运行的搅拌器对搅拌介质进行搅拌时，对液体作功并使之发生流动。使搅拌器连续运转所消耗的功率就是搅拌器功率。搅拌器功率应该是搅拌器几何结构参数、物料物性参数以及搅拌器运转参数等的函数，其中不包括机械传动与轴封部分所造成的动力 消耗。 2.3.1.1影响搅拌器功率的因素 搅拌器的功率与槽内造成的流动状态有关，影响流动状态的因素必然是影响搅拌器功率的因素。其中包括： 1、搅拌器的几何参数与运转参数：桨径d、桨宽b、桨叶角度e、桨转速n、桨叶数量2，桨叶距离槽底的安装高度c等。 2、搅拌槽的几何参数：槽内径D，液体深度H，挡板宽度W，挡板数量z,，以及导流筒的有关尺寸等。 3、搅拌介质的物性参数:液相密度p、液相粘度cP、以及重力加速度q等。以上的许多参数都直接会对搅拌形成的流动状态以及搅拌器功率造成一定的影响。 根据前面所计算，初设定搅拌器的转速n=100r/min 计算搅拌器外缘线速度： v=nπd1003.140.8==4.187m/s6060 式（2.10） ·21· 沈阳航空工业学院学士学位论文 搅拌器旋转角速度 ω2v24.1810.47rad/sd0.8 式（2.11） 2.3.1.2雷诺数的计算 搅拌过程中我们使用雷诺数来表示流体粘滞力对流动的影响，以此表示液体的流动状态雷诺数。根据雷诺数Re数值的大小范围，搅拌槽流动状态可划分为层流、过渡流和湍流等三种情况。 当桨叶转速很低的时候，Re的数值很小，流动处于层流状态;加速后Re的值有所增大，在Re< 10-30的范围内，仍为层流.当转速提高使得Re=10的时候，流动为过渡流状态.当桨叶转速继续升高至Re>10的时候，液体流动呈现为湍流状态。搅拌液体达到湍流状态，液体的轴向流动增加，搅拌的效果比较理想。所以当流动处于层流区域内时，搅拌器功率与液体粘度成正比，与桨叶转速的二次方、桨径的三次方也都成正比。 Re的数值在30-10范围的时候，搅拌处于过渡流区域.此时的功率因数曲线随着Re的变化而呈现出曲线状的变化。在这一区域中，各种桨型搅拌器的曲线并不一致，且存在比较大的差异。如果搅拌棺内没有安装挡板，随着Re数值的增大液面中心将出现漩涡。 ReRend2j 式（2.12） 1000.80.09987.9963 0.998·22· 沈阳航空工业学院学士学位论文 n-------搅拌器转速（rpm） dj------搅拌器直径（m） ------液体密度（kgf·s2/m4） ------液体粘度（kgf·s/m2） 永田公式计算雷诺数： bDi25dj（2.13） Rc0.4 式bbDi0.110.0048Di320.18250.83Rc0.4=8.0163 0.180.1830.110.0048332Re1041sinRc=8.0163 Rc————临界雷诺数，即：湍流和层流转变点的雷诺数。 初步计算的雷诺数符合已知条件，由两中方法计算的雷诺书相差在合理范围之内，取整为Re=8。 雷诺数控制在10以内，搅拌时液体处于层流状态，搅拌效果比较理想。 2.3.1.3搅拌器功率 计算搅拌功率的目的有两个方面，一是为了解决一定型式的搅拌器能向被搅拌介质提供多大功率的问题，以满足搅拌过程的要求，并选配合适的电机。二是为搅拌器强度的计算提供依据，以保证桨叶、搅拌轴的强度。关于搅拌功率计算的公式很多。 ·23· 沈阳航空工业学院学士学位论文 许多专家进行了各种实验，有的得到了实验曲线，整理出算图，有的从理论 推出了与实验基本吻合的公式。算图主要有Rushton算图(推进式、涡轮式和桨式)。日本永田进治等人根据在无挡板直立圆罐中搅拌时“圆柱状回转区”半径的大小及桨叶所受的流体阻力进行了理论推导，并结合实验结果确定了一些系数而得出双叶搅拌器功率的计算公式。 NA1031.2Re0.66pH(0.35b/Di)1.2Np35B(3)()(sin)ndjRe103.2Re0.66Di 式（2.14） 当有全挡板条件时的搅拌功率是最大功率，这时液体中没有“圆柱状回转区”搅拌器时叶片所变的液体阻力最大。但本次设计中没有挡板，在湍流区由于反应器中液体出现“圆柱状回转区”，因而叶片所变的液体阻力较低，故搅拌功率也低。 永田公式 虽然是双叶桨式的功率计算式，但没有列出桨径、桨叶宽度和折叶角度的限制，可以允许这些参数有较大的变化范围，这就使它的应用很方便。作者又验证了在湍流区时多种搅拌器在桨径相同时，只要桨叶宽度和桨叶数量的乘积相等，即一定，它们的功率相等。作者还验证了罐内桨叶安装高度在湍流区对功率影响很小。 A14(b/Di)670(dj/Dj0.6)21851.34(d/D0.5)1.14(dB10j2j /DJ) ·24· 沈阳航空工业学院学士学位论文 代入： 1.14(b/Dj)2.5(dj/Dj0.6)27(b/Di)4 NA1031.2Re0.66pH(0.35b/Di)1.2Np35B(3)()(sin)ndjRe103.2Re0.66Di 搅拌功率=5.00917（kw） 式（2.15） 浆叶的倾斜角，平浆90° b-----浆叶宽度，m H液层深度，m 2.3.1.4电动机功率 搅拌设备的传动机构由电动机、减速装置、轴联节以及搅拌轴等独立组成。在设计搅拌设备的过程中，主要是依据电动机系列、功率、转速以及安装型式和防爆要求等几项内容来选用电动机。 搅拌器由静止启动，桨叶需要克服自身的惯性，以及桨叶推动液体的惯性和液体的摩擦力。搅拌器在全挡板条件下操作时，消耗的运转功率最大，近似等于从湍流到层流的转变点临界雷诺数Re下的搅拌功率，这个功率在数值上几乎和搅拌器开始瞬间的功率相等。也就是说，电动机的启动功率和运转功率近似相等。所以选择电机时不必以启动功率为准，应以搅拌器运转功率作为电机功率的选择基准，并对传动机构与密封机构方面的功率损失予以一定的考虑。·25· 沈阳航空工业学院学士学位论文 电动机功率的计算公式如下： NA NN5.0097.6426(Kw)0.8760.7512 式（2.16） 其中根据初步设计装置的结构，得出机械传动效率： 32 10.970.990.990.9587.6% 由于选用的搅拌器桨板为平直叶双桨式，所以桨板的工作效率相对来说比较低，但如以上所论证，平直叶双桨式有结构简单、适用范围广、搅拌低密度液体效率高、对轴和其他附件要求低等明显特点，所以桨板的工作效率相对考虑的要少一些。固选择平直叶双桨式搅拌器符合实际要求。 查表得桨板机械效率： 275% 2.3.2搅拌器桨叶的校和和优化 一般通过分析受力情况，确定危险截面，再计算桨叶的厚度。由离心力引起的拉应力可忽略不计。 计算桨叶强度时的最大功率： NfKNA2.10.6577.642610.5445(kw) 式（2.17） 式中Ｋ——启动时电动机过载系数（从电动机特性表查出K=2.1） ——传动机械效率； NA——电动机功率；（kw）。 ·26· 沈阳航空工业学院学士学位论文 2.3.2.1搅拌器的强度校合 平直叶双桨式搅拌器如图所示，桨叶断面如图所示。 （图2.3）平直叶双桨式搅拌器结构示意 （图2.4）桨叶断面图 在搅拌器强度计算中，对于加强肋的桨叶除验算I-I断面外，还须验·27· 沈阳航空工业学院学士学位论文 算： II-II断面（在桨长的1/2处）。分别验算如下： I-I 断面弯矩： M48700Nf10.5445487005135.1715n100（kg·cm） 式（2.18） 式中Nf——计算桨叶强度时的最大功率（kw） II-II 断面弯矩： M16234Nf10.5445162341711.794n100（kg·cm） 式（2.19） 单侧有加强肋的桨叶断面模数： 其中 H——断面高度（cm）； l2Hl1=7-2.3696=4.6304(cm) l3l1=2.3696-1.2=1.1696(cm) W I-I和II-II断面的弯曲应力及校核： lyl2256.752=56.059(cm3) 4.6304II(IIII)MIIWIIMIIIIWIIII2（2.20） (kg/cm) 式 式中 M()——或断面的弯矩； ·28· 沈阳航空工业学院学士学位论文 W()——或断面的抗弯截面模数； []w——材料的许用弯曲应力。 代入数值计算得： IIMII5135.171591.7700(kg/cm2) W56.059MIIII1711.79430.535700(kg/cm2) W56.059IIII所以 ，桨叶设计满足强度要求。 2.3.2.2搅拌器的设计优化 在机械设计中，如果评定某个设计方案好坏仅涉及一项设计指标，则称为单目标优化设计。但是实际上，对于一个零件、部件、机构或分系统的设计，常常期望几项设计指标达到最有值，这就提出了多目标优化设计问题。 优化目标之间通常互相制约，要想同时使目标都得到优化，因此必须进行多目标优化设计。在工程实际中存在大量的多目标优化问题，此类问题往往比较复杂，目前求解这一类问题的方法还不够完善，最主要的有两大类：一类时把多目标问题转化为一个或一系列单目标问题求解作为多目标优化问题的一个解；另一类是直接求非劣解，然后从中选择较好解。 搅拌器的乘除法优化设计： 如果能将q个目标分为两类：一类属于费用类，如成本、材料、人力、重量等；表现为目标函数值越小约好；另一类属于效果类，如产量、效率、利润等，表现为目标函数值越大约好。对于这种情·29· 沈阳航空工业学院学士学位论文 况，其统一目标函数可取为： f(X)f(X)1ls1sl1q 式（2.21） f1(X)式中s-q个目标函数中的属于费用类的目标函数总数。然后，再求统一目标函数： sf(X)l11 minf(X)minq 式（2.22）f(X)1ls1的最有解，此即为原多目标问题的最终解答。 搅拌器优化设计中的搅拌功率和扭矩都属于费用类，而排液量的大小就属于效果类。 数学模型的建立概述 设计变量： 搅拌器的转速n，搅拌桨的直径d，反应罐的内径D，桨叶的宽度b，液面高度H。 目标函数： 搅拌功率尽可能小，搅拌轴所受的扭矩尽可能小，排液量尽可能大。 约束条件： 约束条件有雷诺数的大小约束、反应罐内的流体体积的大小约束、桨叶的几何比例约束、转速约束、叶端线速度等。 设计公式： ·30· 沈阳航空工业学院学士学位论文 NA1031.2Re0.66pH(0.35b/Di)1.2Np35B(3)()(sin)ndjRe103.2Re0.66Di由于Q1nd3所以排液量的大小可以用nd3的大小来衡量。 搅拌轴的扭矩T9.55搅拌雷诺数：ReN(N.m) n 式（2.23）nd2j 1 反应罐内的流体体积：VD2H(m3) 4 叶端线速度：urr2 优化数学模型 综上所述，可得如下的数学模型： 设计变量： 搅拌器的转速n，搅拌桨的直径d, 反应罐的内径D，桨叶的宽度b，液面高度H。 ndnd(m/s) 60260Xn,d,b,H 目标函数： 用乘除法建立多目标优化设计的目标函数如下 Tminf(X)NT 3nd约束变量： ① 雷诺数的大小条件： ·31· 沈阳航空工业学院学士学位论文 g1(X)Re100 ②反应罐的容积的范围： g2(X)15V0 g3(X)V500 ③搅拌桨的直径和反应罐的内径的比例范围： g4(X)0.2g5(X)d0 Dd10 D3④搅拌桨的宽度和直径的比例范围 g6(X)0.1g7(X)b0 db0.250 d⑤搅拌桨的转速的范围 g8(X)80n0 g9(X)n1200 ⑥ 叶端线速度的范围 g10(X)4.0ur0 g11(X)ur10.00 4) 优化的结果如下: 初始点：X0=[80，0.8，0.18]T 得全局最优解：X*=[101.0657，0.8038， 0.1516]T 圆整为：X*=[100.0000，0.8000， 0.1500]T ·32· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图2.5）平直双叶搅拌桨 确定搅拌器部分具体尺寸如下： Dj=800mm h=60mm h1=40mm m=100mm d=40mm c=140mm δ=15mm ·33· 沈阳航空工业学院学士学位论文 2.4轴的设计 搅拌轴是搅拌设备中实现带动桨叶运动的主要组件，轴的设计是搅拌设备设计中的一个重要坏节。搅拌轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸，进行强度、刚度计算，以便保证搅拌轴能够安全平稳地运转。以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。 轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，可采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造 在机械工程应用的材料，按用途的不同，可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料通常是指工程上要求强度、韧性、硬度、塑性、耐磨性等机械性能的材料。功能材料是指具有电、光、热、磁等功能和效用的材料。按材料结合件的特点及性质，一般可分为金属材料、无机非金属材料和有机材料三大类。其中金属材料是机械工程中最常用的材料，可分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料是铁基金属合金，包括碳钢、铸铁及各种合金钢。其余的金属材料都属于有色金属材料。 ·34· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图2.6）零件实物图 2.4.1轴材料的选用 轴的材料常用材料是优质碳素钢。对于受力较大、轴的尺寸和重量受到限制以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。 但在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以，只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。合金结构钢是在碳素结构钢基础上加入适量的一种或几种合金元素而形成的，它比-碳素结构钢的综合性能要好，是合金钢中用量最大的一类钢，广泛应用于制造各种重要的机器零件和各类工程结构。 根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处理（如喷丸、辊压等）和化学处理（如渗碳、渗氮、氮化等），以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。对于受载较小或不太重要的轴，也可用Q235、Q275等普通碳素结构钢。 当零件的形状复杂、截面尺寸较大、机械性能较高、渗透性较好时，采用碳素结构钢常常难于满足要求，而合金钢由于合金元素的作用，能够明显地提高强度、韧性和耐磨性，并具有良好的淬透·35· 沈阳航空工业学院学士学位论文 性。对于大型零件，由于合金结构钢淬透性较高，能够在零件整个大截面上淬透而得到均匀一致的良好的综合机械性能，既有高强度又有足够的韧性。因此，强度、韧性要求均高的重要零件或截面尺寸较大、形状复杂的零件采用合金结构钢制造比较理想。合金结构钢通常需要热处理，以获得良好的综合机械性能，按其含碳量和热处理工艺的不同，可将合金钢分为合金调质与渗碳钢两类。合金调质钢含碳量在0.25~0.5%范围内，一般采用淬火和高温回火的调质处理，可以得到高强度和足够的韧性，为进一步提高零件表面的耐磨性，对某些中碳合金调质刚可在调质后进行氮化处理。合金调质钢的淬透性直接影响调质处理后的综合机械性能，因此，选材时应当考虑其临界淬透性直径与工件表面的截面尺寸的协调。合金调质钢多用于制造高强度、高韧性、综合机械性能优良的重要零件，如齿轮、各种轴（发动机曲轴、机床主轴）及高强度连接螺栓。 轴的材料优质碳素钢型号很多，常用材料是35、45、50，最常用的是45钢。本次设计由前面对轴强度的计算中没有特别的要求，故本设计所采用的轴的材料为45钢。又由前面的搅拌器的计算可以规定搅拌轴径为40mm。 2.4.2轴的计算 在确定搅拌轴轴径时，应该注意使搅拌轴能够同时满足强度和刚度计算的两个条件。在一般情况中，刚度条件下计算所得的轴径应该比由强度条件计算得到的轴径要稍大一些。通常对搅拌轴来说，应主要以刚度条件确定轴径。如果由刚度条件确定的数值与由强度条件确定的数值相差很大的时候，应该考虑改变轴的材质，也就是·36· 沈阳航空工业学院学士学位论文 选用强度较差的材料，当然材料改变后，搅拌轴仍然需要满足强度条件的要求。尤其是在转速较低功率较大的情况下，强度条件是不可忽视的。 2.4.2.1搅拌轴的强度计算 搅拌轴在工作过程中承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，工程应用中往往使用近似的方法进行强度计算。首先假定轴只是承受扭矩的作用，然后使用增加安全系数降低材料许用应力的方法来弥补由于忽略受弯曲作用引起的误差.当搅拌轴承受扭转作用时，轴截面上产生剪应力。轴扭转的强度条件是： maxTQWp（2.24） k 式max-----截面上最大剪应力 TQ-----轴所传递的扭矩 Wp-----抗扭截面系数 k------降低后的扭转许用剪应力 轴扭转材料的许用剪应力值可以通过扭转试验获得的屈服极限、或强度极限。除以安全系数来决定。由于搅拌轴除了承受扭转作用以外，还常常受到弯曲作用，所受的不是静载荷，因此规定的许用应力k，在数值应该偏低一些。由上式可以计算轴的抗扭断面系数Wp： ·37· 沈阳航空工业学院学士学位论文 WpTQkd316 式（2.25） Wp（实心轴） 式（2.26） N 式（2.27） nTQ97400d-----搅拌轴直径（cm） N-----搅拌传递功率（kw） n-----搅拌轴转速（rpm） 综合公式得 d31697400Nnk 式（2.28） 整理得 d39740016k3N 式（2.29） n令 A39740016k 则得满足强度条件的搅拌轴轴径为 dA3N n由上式可以看出，系数A的数值是随许用剪应力k变化而改变。A值不仅随材料的不同而变化，而且与载荷性质有着密切的关系。查·38· 沈阳航空工业学院学士学位论文 轴材料k与A值表可以知道45钢k为300—400；A为10.6—9.64。 2.4.2.2轴的刚度计算 为防止搅拌轴转动过程中产生过大的扭转变形，致使引起旋转中造成的轴封失效，应该将轴的扭转变形限制在一定的范围内，这就需要在设计中考虑轴的刚度条件。所谓的刚度条件在工程上就是要求单位长度的扭转角 o 。小于许用扭转角，由于设计条件我们知道需要设计的搅拌设备不属于高精度稳定搅拌也不属于低精度搅拌传动，本次的搅拌设备由搅拌速度和混合精度等参数判断应该在一般搅拌和底精度搅拌之间选择，一般精度搅拌所以理论上允许的应该取0.5o—1o。所以我们设定不大于0.7o。 即： oooooTQG0JPTQG0JP100180180（2.30） 式o100100180 3.14TQ8.1104157.68o0.1674o0.7oo------轴扭转变形的扭转角 G0-----剪切弹性模数。 JP-----截面的极惯性矩 ·39· 沈阳航空工业学院学士学位论文 d4N将TQ97400和JP（实心圆柱）代如公式整理后可以得到32n满足刚度要求的搅拌轴轴径： dB4N或dC4TQ 式（2.31） nB，C为系数，根据特定的角度要求我们可以查到对应的B，C值。 =0.5o—1o 时查表得B，C值：B=10—8.5，C=0.62—0.52 代入上式计算后取最大d值13.5371（mm） 因为在搅拌器的设计中根据搅拌器比例已经规定了轴的外径大体为40mm远远大于轴的强度要求，本着节省材料不浪费资源的原则本次设计的轴选为空心轴设计。空心轴需要对传递功率进行必要的换算，然后再进行有关的强度、刚度校核。换算公式如下： N换N 式（2.32） b0o其中b0为换算值，根据b0值可以查表得到空心轴的内径和外径比，根据前面所知道的最大功率和换算表b0取0.9877—0.9375之间，由于前面计算功率的时候我们已经采取的保守算法，所以我们现在取b0的最小值0.9375。查表我们可以知道空心轴的内径外径比为1/2。所以可以确定轴的外径为40mm，内径为20mm。 ·40· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图2.7）轴受力图 本次设计搅拌设备为开放式搅拌设备，而且为中低速对低密度液体进行搅拌，所以搅拌容器内压力为常压，一般考虑三项受力情况。 对于一个普通的搅拌轴，在其正常工作中，会承受到多个力与力矩的作用，包括扭矩，液体作用力产生的弯矩，轴与搅拌器重量，设备内外压力差造成的轴截面向上推力，搅拌器叶片产生轴向液流时的反推力等。 搅拌轴的受力与力矩情况如图所示.传动机构承受轴向力和力矩的联合作用，所以选用传动装置需要考虑各力和力矩的影响。由 于密封装置所消耗功率较小，可以忽略不计，所以搅拌轴传递的最大·41· 沈阳航空工业学院学士学位论文 扭矩可视为各层搅拌器的扭矩和。 NTQmax974000=4792.8358 式（2.33） n如果有多层搅拌器最大的弯矩Mmax，是液体作用力与各层搅拌器到位于最下方轴间距乘积的总和。如果就一层搅拌器就算一层就可以了，搅拌器的层数不影响公式的准确性。其中液体动力产生的最大水平力F、可通过下式计算获得: Fh29400N0fs 式（2.34） ndj算得：MmaxFhL=2342.86 式中： L-----各层搅拌器从流体动力作用点至最下方轴承的距离(cm); dj --------搅拌轴直径(cm); Tmax--------作用在搅拌轴上的最大扭矩(kgf.cm); N0-------单个搅拌器的搅拌功率(kW); ·42· 沈阳航空工业学院学士学位论文 （图2.8）轴的受力、弯矩、扭矩图 2.4.3轴的校核： 2.4.3.1轴强度校核 搅拌主轴选用无缝钢管，内径d0=20mm,外径d=40mm。 轴在危险截面由弯矩和转矩合成的当量弯矩为： ·43· 沈阳航空工业学院学士学位论文 MMmax2Mn(max)22342.8620.34792.8362 =3518.57 式（2.35） 式中 ——根据转矩性质而定的校正系数，对稳定不变的转矩，取=0.3； 轴的直径是按照轴在危险截面的直径的安全标准设计的，所以危险截面钢管的强度满足要求。轴的扭转刚度满足要求。 2.4.3.2临界转速校核 为了使轴的工作转速n避免达到临界转速nk,应按悬臂轴计算nk。 悬臂轴临界转速计算： nk0.949 式中： 3EIL13WXL1 式（2.36） L1LAE-----轴的弹性模数，查表得206GPa； I------轴的惯性矩，d4d04321192218.75（mm4） L1----搅拌器受力中心线到最下轴承的距离，1300mm LA----两轴承距离； Wl----搅拌器重量 Wd----等效轴重量 Wx----搅拌轴系等效重量 ·44· 沈阳航空工业学院学士学位论文 对于双支承，一端外伸且断面均匀的轴，取Cl=0.249,经过计算： Wl=348N. Wd=ClWw=0.249412=103N. Wx=Wl+Wd=451N. 1Ww(402202)13007.85106451N 41(352202)W12[4606080015 28002515]7.851039.8348N Ww——外伸端轴重451N； S1Cl——与比值SA有关的系数。 nk0.9493EIS13WXS1S1SA 32061096.72110613000.949130034511300300=1683（转/分） 式（2.37） 2.4.3.3远离临界转速的措施： 1、增加轴的刚度； 2、减轻搅拌器和轴的重量，可采用阶梯轴或空心轴来提高临界转速； 3、减小搅拌轴的长度来提高临界转速； 4、降低工作转速； 5、采用底轴承可增加临界转速，提高稳定性。 ·45· 沈阳航空工业学院学士学位论文 n1005.9%75%n1683本设计采用转速n=100转/分，k，n远离临界nk，符合要求。 2.4.3.4轴的支撑条件 为了保持搅拌轴悬臂的稳定性，其悬臂轴的允许长度用下列经验公式计算： L1(4~5)LAL1(40~50)d1 在本设计中L1=1300mm,LA=300mm,d=40mm,并且d有较大的选择余量，故设计的数据满足要求。 2.5轴承的选择 2.5.1轴承的分类 支承相对旋转的轴的部件叫做轴承。 轴承一般分为三大类：关节轴承；滚动轴承和直线运动滚动支承。 滚动轴承的套圈和滚动体，一面反复承受高接触压力，一面进行伴随有滑动的滚动接触。滚动轴承有许多优点，例如：已实现系列化、标准化、商品化、使用维护简单，互换性能好等等，故在各工业部门应用很广。一般，在滚动轴承和滑动轴承都满足使用条件时，宜优先选用滑动轴承。保持器一面与套圈和滚动体的两旁，或·46· 沈阳航空工业学院学士学位论文 其某一方滑动接触，一面承受拉力和压缩力。因此，对轴承的套圈，滚动体及保持架的材料、性能、主要要求如下。 套圈、滚动体材料所要求的性能： 滚动疲劳强度大 硬度高 耐摩耗性高 保持架材料所要求的性能： 尺寸稳定性好 机械强度大 此外，还需要加工性好。根据用途不同，还有要求其耐冲击性、耐热性、耐腐蚀性好。 2.5.2滚动轴承选择 2.5.2.1选择滚动轴承的考虑要点 滚动轴承的选用，既应满足外载荷的要求，又应尽量发挥轴承本身的负荷能力。当用一个轴承承受力矩负荷时，若使用角接触轴承，因每转中钢球的接触角和钢球的公转速度都是变化的，会在保持架上产生非常大的接触应力和相对滑动速度，从而引起保持架的胶合破坏。若使用圆锥滚子轴承，由于边缘应力很大，会引起滚子和滚道的早期点蚀，因此，原则上要用两个轴承，承受力矩负荷。 滚动轴承的工作转速上升到一定限度后，滚动体和保持架的惯性力，以极小的形状偏差，不仅导致运转状态的恶化，而且造成磨擦面间温度升高和润滑剂的性能变化，从而导致滚动体回火或轴承元件的胶合失效。 使用滚动轴承的各种机械装置、仪器等的市场要求性能日趋严格，对于轴承所要求的条件、性能也日趋多样化。为了能从为数众多的结构、尺寸中，选择最适合的轴承，需要从各种角度研究。在·47· 沈阳航空工业学院学士学位论文 选择轴承时，一般，考虑作为轴系的轴承排列、安装、拆卸之难易度、轴承所允许的空间、尺寸及轴承的市场性等，大致决定轴承结构。其次，一边比较研究使用轴承的各种机械的设计寿命和轴承的各种不同的耐久限度，一边决定轴承尺寸。在选择轴承时，往往偏于只考虑轴承的疲劳寿命，有关由润滑脂老化而发生的润滑脂寿命、磨损、噪音等也需要充分研究。再者，根据不同的用途，有必要选择对精度、游隙、保持架结构、润滑脂等等要求，作特别设计的轴承。但是，选择轴承并没有一定的顺序、规则，优先应考虑的是对轴承所要求的条件、性能、最有关连的事项，尤为实际。 选择轴承主要应该考虑以下几点： 1、轴承所要求的条件、性能 2、使用条件、环境条件 3、轴承安装部分尺寸诸项 4、轴承所允许的空间 5、负荷之大小、方向 6、振动、冲击 7、旋转速度、轴承的极限转速 8、内圈、外圈的倾斜 9、轴向方向的固定与轴承配列 10、装卸的难易 11、噪声、扭矩 12、刚性 13、市场性、经济性 ·48· 沈阳航空工业学院学士学位论文 另外决定轴承结构、排列有如下一些关键点： 1、使用机械与设计寿命 2、当量动负荷或当量静负荷 3、旋转速度 4、允许静负荷系数 5、允许轴向负荷（圆柱滚子轴承的情况下） 在决定轴承尺寸时我们还应该需要注意：旋转振摆的精度；高速旋转和扭矩变动。 2.5.2.2本次设计轴承的选用 根据本次的设计要求，我们知道本次轴承应用的主轴是封闭搅拌机的主轴，主轴主要承担的是轴向力和少许径向力，由此我们根据以上对选择轴承的时候后应该注意的要点首先确定选用轴承的种类主要为能够承受轴向力的轴承。 滚动轴承的负荷能力与轴承类型和尺寸有关，相同的外型尺寸下，滚子轴承的负荷能力约为球轴承的1.5-3倍，向心类轴承主要用于承受径向载荷，推力类轴承主要用于承受轴向载荷，角接触轴承可同时承受径向和轴向载荷的联合作用，其轴向负荷能力的大小随接触角的增大而增大，深沟球轴承的接触角为零，但由于球与滚道间存在微量间隙，有轴向负荷作用时，内外圈产生相对位移，形成不大的接触角。 滚动轴承的负荷能力一般以额定动负荷比粗略表示，其含义为某种轴承的额定动负荷值与外形尺寸的深沟球轴承（或推力球轴承）·49· 沈阳航空工业学院学士学位论文 额定动负荷的比值。其中具体的轴承特性如下： 1、推力球轴承是分离型轴承，根据其结构形式分为单向推力球和双向推力球轴承。单向推力球轴承可承受一个方向的轴向载荷，双向推力球轴承可承受两个方向的轴向载荷。它们均不能承受径向载荷。推力球轴承还有带座垫的结构，由于座垫的安装面呈球面形，故轴承具有调心性能，可以减少安装误差的影响。 2、圆锥滚子轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。轴承承载能力取决于外圈的滚道角度，角度越大承载能力越大。该类轴承属分离型轴承，根据轴承中滚动体的列数分为单列、双列和四列圆锥滚子轴承。单列圆锥滚子轴承游隙需用户在安装时调整；双列和四列圆锥滚子轴承游隙已在产品出厂时依据用户要求给定，不须用户调整。 3、调心球轴承有圆柱孔和圆锥孔两种结构，保持架的材质有钢板、合成树脂等。其特点是外圈滚道呈球面形，具有自动调心性，可以补偿不同心度和轴挠度造成的误差，但其内、外圈相对倾斜度不得超过3度。 在一定负荷和润滑条件下，滚动轴承所能允许的最高转速称之为轴承的极限转速。它与轴承类型、尺寸、精度、游隙、保持架的材料与结构、润滑方式、润滑剂的性质与用量、负荷的大小与方向以及散热条件等因素有关。 由上所述，这次我们轴承选择： 圆锥滚子轴承型号：7710* 推力球轴承型号：511111 ·50· 沈阳航空工业学院学士学位论文 其7710*各项尺寸如下： d=50mm,D=82mm,T=21.5mm,B=21.5mm, C=17mm,r=3mm, r1=3mm； 极限转速=3200r·min（脂润滑）. 其51111各项尺寸如下： d=55mm,D=78mm,T=16mm； 极限转速=2800r·min(脂润滑）。 112.5.3轴承的寿命验算 运转中的滚动轴承，若是安装正确，润滑良好，无尘埃、水份和腐蚀介质的侵入，且载荷适中，则造成轴承损坏的原因只是由材料的疲劳所引起。滚动轴承的失效形式主要有疲劳剥落、过量的永久变形和磨损等。轴承在正常条件下使用，内圈、外圈和滚动体上的接触应力都是变化的，工作一定时间后，接触表面就可能发生疲劳点蚀，以致造成疲劳剥落。故疲劳剥落是轴承的正常失效形式，它决定了轴承的工作寿命；故轴承的寿命一般是指疲劳寿命。过量的永久变形使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪声；磨损是轴承游隙、噪声、振动增大，降低轴承的运转精度，一些精密机械应的轴承，可用磨损量来确定轴承寿命。由于影响轴承精度寿命的因素很多，目前还没有一个确切的计算方法，一般都是以轴承的疲劳寿命乘以一个修正系数来作为精度寿命的近似估计。 ·51· 沈阳航空工业学院学士学位论文 轴上所用的轴承的受力如图所示： （图2.9）轴承受力图 由轴和叶轮所产生的轴向力由推力球轴承承载。 2.5.3.1圆锥滚子轴承的选择计算 选用圆锥滚子轴承型号为7710*，查机械设计手册C=260KN，C0=356KN，nlim=3200r/min(脂润滑)，e=0.36。 ·52· 沈阳航空工业学院学士学位论文 Fae时;，X0.4,Y1.4;FrFae时,X1,Y0;FrFa1当时（其中Y00.8），P0Fr;Fr2Y0当 Fa1时,P00.5Fr0.8Fa。Fr2Y0 按额定动载荷计算: 因Fa=0, 所以X=1,Y=0,P=2382N。 轴承的工作寿命为： 106C10628500010Lh()()32.031010h 式（2.38） 60nP601002382 满足要求。 按额定静载荷校核： 查表取S0=1.2, C0S0P0 式（2.39） QFa210Fr22Y0 P02Fr22382N 2.5.3.2推力球轴承的选择计算 选用推力球轴承型号为51111，查手册得Ca=120kN,C0a=398kN, nlim=2800r/min(脂润滑) P02C0, 7710*型号轴承满足要求。 ·53· 沈阳航空工业学院学士学位论文 转速和载荷：转速n=100r/min，载荷由轴和叶轮的重力产生，经计算得载荷 P1=3352N。 按额定动载荷计算，轴承的工作寿命为： 106C1061350003Lh()()2.18108h 式（2.40） 60nP601003352满足要求。 2.5.3.3滑动轴承的选择计算 滑动轴承中轴衬和护套的材料应选择两种不会胶合的材料。 验算轴承的平均压力p(单位为MPa) pFr120830.129[P]2dB95170 式（2.41） 验算轴承的pv(单位为Mpa·m/s)值 轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗fpv成正比，限制pv值就是限制轴承的温升。 pvFdnFn208317·Bd60100019100B191001700.011[pv]0.43 式（2.42） 验算滑动速度v(单位为m/s) vdn1000603.1495170.085[v]0.5100060 式（2.43） 所设计的滑动轴承满足要求。 ·54· 沈阳航空工业学院学士学位论文 轴承是精密部件，其使用也须相应地慎重进行。无论使用多么高性能的轴承，如果使用不当，则不会得到预期的高性能。安装和使用轴承时也应该注意以下几点： 1.保持轴承及其周围清洁。 2.小心谨慎地使用。在使用中给与轴承强烈冲击，会产生伤痕及压痕，成为事故的原因。严重的情况下，会裂缝、断裂，所以必须注意。 3.使用恰当的操作工具。避免以现有的工具代替，必须使用恰当的工具。 4.要注意轴承的锈蚀。为了尽可能长时间地以良好状态维持轴承本来的性能，须保养、检修、以求防事故于未然，确保运转的可靠性，提高生产性、经济性。 保养最好相应机械运转条件的作业标准，定期进行。内容包括监视运转状态、补充或更换润滑剂、定期拆卸的检查。 作为运转中的检修事项，有轴承的旋转音、振动、温度、润滑剂的状态等等。 2.6搅拌机驱动、传动设备的选用 2.6.1电机的选用 负载转矩、速度变化范围和启动频率程度的要求，考虑电动机的温度限制、过载能力和启动转矩，选择电动机的容量，并确定冷却通用容量应留有余量，负荷率一般取0.8～0.9。过大的备用容量会·55· 沈阳航空工业学院学士学位论文 使电动机的效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏、并使按电动机最大转矩校验强度的机械造价提高。 机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。 使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和型号。 生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机的额定转速。 此外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的共货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用及考虑生产过程中前后电动机容量变化等因数。 电动机额定转速是根据生产机械的要求饿选定的。在确定电动机额定转速时，必须考虑减速器装置的传动比，两者相互配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电动机的转速不低于500r/min，因为当功率一定时电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，而且效率也较低。 直流无刷电动机的选择如选用高转速电动机，势必加大机械减速装置的传动比，致使机械传动部分复杂起来。 2.6.2减速器的选用 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。在某些场合也用来增速，称·56· 沈阳航空工业学院学士学位论文 为增速器。 减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相结合起来的减速器。减速器的具体选型条件： （1）传动比、功率、进出轴的许用扭矩、转速和相对位置； （2）主轴旋转方向是单向或双向； （3）搅拌轴轴向力的大小和方向； （4）工作平稳性，如振动和载荷变化情况； （5）外型尺寸应满足安装及检修要求； （6）使用单位的维修能力； （7）经济性。 考虑到摆线针轮行星减速机，是一种应用行星传动原理，采用摆线针齿啮合，设计先进、结构新颖的减速机构。它广泛应用于石油化工、轻工食品、制药、纺织印染、冶金矿山、污水处理及工程机械等各种传动机械的减速装置。所以我们优先考虑。 本设备所选用的减速器，是由江苏浩特隆集团生产的XLD型摆线针轮减速机。该型号的摆线针轮减速机有立式、卧式两大类，单圾有X&X12十三种规格型号，转速为11~160rpm许用扭矩为25~30000N．m。 这次选择的其型号为X9. 是一种应用行星传动原理，采用摆线针齿啮合的减速机工作环境温度—25—40’c，允许正反两转； 减速比大，单级传动速比9—87，两级传动121—5133，三级传动可达5841~6058503； 结构紧凑、体积小：输入轴与输出轴在同一轴线上， 使其机型·57· 沈阳航空工业学院学士学位论文 获得尽可能小的尺寸； 运转平稳、承载能力大：啮合齿数多，重叠系数大，内力平衡，使振动与噪音限制在最小程度； 传动效率高：单级传动效率在90％以上； 寿命长：针齿啮合传动采用滚动摩擦，主要零件均用轴承钢，经热处理硬度达HRC58—62，所以经久耐用。广泛应用于石油、化工、制药、冶金、环保等领域中。 （图2.10）江苏浩特隆XLD型摆线针轮减速机 2.6.3联轴器的选择 在选择标准联轴器时应根据使用要求和工作条件，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸振以及装拆、维修更换易损元件等综·58· 沈阳航空工业学院学士学位论文 合分析来确定。具体选择时可顺序考虑以下几点： 原动机和工作机的机械特性。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平稳，有的冲击甚至强烈冲击或震动。这将直接影响联轴器类型的选择，是选型的首要依据之一。对于载荷为平稳的，则可选用刚性联轴器，否则宜选用弹性联轴器。 联轴器连接的轴系及其运转情况。对于连接轴系的质量大、转动惯量大，而又经常起动、变速或反转的，则应考虑选用能承载瞬时过载，并能缓冲吸振的弹性连轴器。 工作机的转速高低，对于需高速运转的两轴联接，应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性，以消除离心力而产生的振动和噪声，增加相关元件的磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。 联轴器的对中和对中保持程度，保持良好的对中使运转正常的前提，防止产生过大附加载荷及其他不良共况。联轴器的对中调整难易，除与本身结构有关外，还与机械类型在对中时采用措施相适应。同时还需计及机械工作时有关零件因受载和温升产生变形及零件相对滑动而发生磨损，从而使两轴发生附加的相对位移。所以，选择的联轴器不但补偿安装时难免存在的一定相对偏差，还应预计到能补偿两轴在运转中出现的相对位移的能力。 联轴器的结构及工作特性，联轴器的外形尺寸，安装、拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与联接机组的具体配置位置和要求相适应。 联轴器的可靠性，使用寿命和工作环境。对于要求运转可靠，不允许运转工作临时中断的传动，最好选用不需润滑、无非金属弹·59· 沈阳航空工业学院学士学位论文 性元件的联轴器。高温和有油类、酸、碱及其他腐蚀性介质的场所、或有光辐射存在应尽量不用含有橡胶弹性元件的联轴器。有灰尘、潮湿的环境，应尽量用有罩壳的联轴器。 联轴器的制造、安装和维护成本，在满足使用要求的条件下，应使选择的联轴器成本低，不需维护以降低经常费用。 本次设计选用江苏华东明茂机械股份有限公司设计的连轴器GT型凸缘联轴器。本型号连轴器的特点是结构简单，性能稳定，便于安装。根据设计要求得出具体数据如下： D=90；D2=60；D1=74；H=100； （图2.11）江苏华东明茂 GT型凸缘联轴器 2.7其他部件的选择 2.7.1轴承等润滑方式的设计 2.7.1.1润滑的作用 运转过程中，轴承内部各元件间，均存在不同程度的相对滑动，从而导致摩擦发热和元件的磨损。因此工作中必须对轴承进行可靠的润滑。润滑轴承的主要目的是： ·60· 沈阳航空工业学院学士学位论文 减小摩擦发热，避免工作温度过高； 降低磨损； 防止腐蚀； 散热（油润滑）； 密封（脂润滑）。 2.7.1.2润滑剂的种类 滚动轴承使用的润滑剂分为润滑脂和润滑油两种。 一般轴承多采用脂润滑。脂润滑的优点在于：油膜强度高；油脂粘附性好，不易流失，使用时间较长；密封简单，能防止灰尘，水分和其他杂物进入轴承。缺点是：转速较高时，摩擦损耗的功率较大。 润滑脂的不足或过多，都会导致轴承工作中温升增大，磨损加快，故润滑脂的 填充量要适度。一般，以填充量占轴承与外壳空间的1/2~1/3为宜。 尽管润滑剂主要是用来控制摩擦和磨损的，他们能够而且通常也确实起到了许多其他的作用，这些作用随其用途不同而不同，但通常相互之间是有关系的。 滑动面之间润滑剂的数量和性质对所产生的摩擦力有较大的影响。例如，不考虑热和磨损这些相关因数，只考虑2个油膜润滑表面间的摩擦力，它能比两个同样表面，但没有润滑时小200倍。在流体膜润滑状态时，摩擦力与流体的黏度成正比。一些例如石油衍生物之类润滑剂，可以有很多种黏度，因此能够满足范围宽广的要求，在边界润滑状况，润滑剂黏度对摩擦力的影响不象其它化学性质的影响那么显著。 ·61· 沈阳航空工业学院学士学位论文 2.7.1.3润滑剂的选择 选择润滑剂时应考虑的因素有： （1）轴承的工作温度 各种润滑剂都有其各自适于工作的温度围。 过高的工作温度会使润滑剂的粘度降低，润滑效果变差，以致完全失效。正常的工作温度，应使润滑油的粘度，对球轴承不低于，对滚子轴承不低于。 （2）轴承的工序载荷 润滑油的粘度是随压力变化的，当轴承所载 荷增大时，润滑区内润滑油的压力增加、粘度降低，从而导致油膜厚度减薄，甚至破裂。因此，轴承工作载荷越大，所选润滑油的粘度也应越大。 （3）轴承的工作转速 工作中，轴承转速愈高，内部摩擦发热量愈 大。为了控制轴承的温升，通常对轴承的dn值（为轴承内径，为转速）加以限制。 所以，此次设计采用75号脂润滑。为防止周围环境中的灰尘、水气、酸气和其他杂质侵入轴承，同时防止润滑剂外流，在一般环境条件下，应用毛毡圈密封。 2.7.2零部件设计选择 零部件的结构工艺性主要在保证技术要求的前提下和一定的生产条件下，能采用较经济的方法，保证质量地制造出来。结构工艺性对产品结构的基本要求如下： （1）从整个机器的工艺性出发，分析零部件的结构工艺性 机器·62· 沈阳航空工业学院学士学位论文 零部件是为机器工作性能服务的，零件的结构工艺性应服从整机的工艺性，不能把两者分割开来。 （2）在满足工作性能的前提下，零件造型尽量简单 在满足工作性能的前提下，应当用最简单的圆柱面、平面、共扼曲面等构成零件的轮廓；同时应尽量减少零件的加工表面数量和加工面积；尽量采用标准件、通用件和外购件；增加相同形状和相同元素（如直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量。 （3）零件设计时应考虑加工的可能性、方便性、精确性和经济性 在能满足精度要求的加工方案中，应符合经济性要求。这样，在满足零件工作性能的前提下，应尽量降低零件的技术要求（即尽量低的加工精度和表面质量），以提高零件的设计工艺性能。 （4）尽量减少零件的机械加工量 应使零件毛坯的形状和尺寸尽量接近零件本身的形状和尺寸，力求实现少或无切屑加工，充分利用原材料，以降低零件的生产成本。应尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺，以达到上述要求。 （5）合理选择零件材料 要考虑材料的机械性能是否适应零件的工作条件，使零件具有预定的寿命，成本消耗低。例如：锻钢的锻造、切削加工等方面的性能好，但强度还不够高，淬透性低；铸铁和青铜不能锻造、可焊性差。要积极使用新材料，在满足零件使用性能的前提下，有较好的材料工艺和经济性，例如：稀土镁球墨铸铁代替锻钢，工程和粉末冶金材料代替有色金属材料等。 2.7.3搅拌设备的安装与防腐 2.7.3.1安装与试运转要求 （1）必须在安装前复验搅拌设备的零部件，其制造质量要符合图纸·63· 沈阳航空工业学院学士学位论文 或规范要求； （2）各种密封件安装后不得有润滑剂泄露现象； （3）搅拌轴旋转方向除无旋向要求外不得反转； （4）搅拌轴安装后的下端摆动量允许差值不大于1.5毫米； （5）搅拌设备安装后必须经过用水作介质的试运转和搅拌工作介质的带负载试运转，两种试运转都必须在容器内 装满三分之二以上容积的容量。试运转中设备应运行平稳，无异常振动和噪音； 以水作介质的试运转时间不得少于2小时，负载试运转对搅拌机不得少于24小时。 （6）试运转和正常工作中均不得空负载运行； （7）轴承在正常工作情况下温升不得大于40C，最高温度不得超过80C。 2.7.3.2设备防腐 搅拌机零部件防腐须根据搅拌介质的腐蚀情况及水质要求而定。如果用于排水工程，一般涂刷环氧底漆及环氧面漆，用于给水工程一般涂刷“饮水容器内壁环氧涂料”底漆各两边。若搅拌溶液腐蚀性大的介质，如溶药搅拌中搅拌三氯化铁或排水工程中处理酸、碱性大的工业废水时可采用环氧玻璃钢防腐，橡胶防腐和化工搪瓷防腐等。 由于本设备工作环境是在一般大气条件下使用，要求防潮、耐水性好，故用沥青漆、酚醛漆、环氧漆均可 ·64· 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/f2c14a27b62acfc789eb172ded630b1c59ee9b7f.html